유전 인자로 사회 계급이 구분되는 가까운 미래. 빈센트는 자연의 섭리로 태어나, 열등한 유전 인자를 가진 부적격자로 분류되어 차별 속에 살아간다. 반면 그의 동생 안톤은 부모의 우성 인자만을 추출한 유전자 편집으로 태어나 부모의 기대를 한 몸에 받는다. 빈센트의 꿈은 우주 비행이지만 선천적으로 심장이 약하고 근시인 약체와 부적격자로 분류된 유전 인자 때문에 우주 항공 회사 가타카에 청소부로 취직할 수 밖에 없다. 그러던 중 빈센트는 DNA 중개인을 통해 교통사고로 불구가 된 수영선수이자 유전학적으로 우성 인자를 가진 제롬을 소개받고 그의 유전 인자를 돈으로 사게 된다. 제롬의 유전 인자로 신분을 위장해 가타카에 취직한 빈센트는 엘리트 직원으로 승승장구하며 마침내 토성의 위성 타이탄 탐사 비행에 선발되게 되고, 미모의 여성 아이린과 사랑에 빠지게 된다. 그러나 탐사 1주 전 감독관 살해 사건이 발생하며 빈센트는 위기에 처하는데…